Динамика позвоночного столба человека

Фиброзное кольцо с возрастом утрачивает свою эластичность и податливость. В молодом возрасте фиброэластичная ткань кольца является преимущественно эластичной. С возрастом или после травмы процент фиброзных элементов увеличивается и диск теряет эластичность. По мере утраты эластичности он становится более восприимчивым к травмам и повреждениям.

Каждый межпозвонковый диск может укорачиваться по высоте в среднем на 1 мм под влиянием нагрузки 250 кг, что для позвоночного столба в целом дает укорочение примерно в 24 мм. При нагрузке 150 кг укорочение межпозвонкового диска между T6 и T7 составляет 0,45 мм, а нагрузка 200 кг обусловливает укорочение диска между Т11 и Т12 на 1,15 мм.

Эти изменения дисков от давления довольно быстро исчезают. При лежании в течение получаса длина тела человека, имеющего рост от 170 до 180 см, увеличивается на 0,44 см. Разница в длине тела одного и того же человека утром и вечером определяется в среднем в 2 см. По данным Leatt, Reilly, Troup (1986), снижение роста на 38,4 % наблюдалось в первые 1,5 ч после пробуждения и на 60,8 % - в первые 2,5 ч после пробуждения. Восстановление роста на 68 % происходило в первую половину ночи.

Анализируя разницу в росте у детей в утренние и послеобеденные часы, Strickland и Shearin (1972) выявили среднее различие 1,54 см, а амплитуда колебаний составила 0,8-2,8 см.

Во время сна нагрузка на позвоночный столб минимальная и диски как бы разбухают, абсорбируя жидкость из тканей. Adams, Dolan и Hatton (1987) определили три существенных последствия суточных колебаний величины нагрузки на поясничный отдел позвоночного столба: 1 - "разбухание" обусловливает повышенную тугоподвижность позвоночного столба во время сгибания в поясничном отделе после пробуждения; 2 - рано утром для связок дисков позвоночного столба характерна более высокая степень риска повреждений; 3 - амплитуда движений позвоночного столба увеличивается к середине дня. Разница в длине тела зависит не только от уменьшения в толщине межпозвонковых дисков, но и от изменения высоты свода стопы и возможно также в некоторой степени от изменения толщины хрящей суставов нижних конечностей.

Диски могут изменять свою форму под влиянием силовых воздействий до наступления у человека половой зрелости. К этому времени толщина и форма дисков окончательно определяются, а конфигурация позвоночного столба и связанный с нею тип осанки приобретают постоянный характер. Однако именно потому, что осанка зависит преимущественно от особенностей межпозвонковых дисков, она не является вполне стойким признаком и может в некоторой мере изменяться под влиянием внешних и внутренних силовых воздействий, в частности физических упражнений, особенно в молодом возрасте.

Важную роль в определении динамических свойств позвоночного столба играют связочные структуры и другие соединительные ткани. Их задача заключается в ограничении или видоизменении движения сустава.

По передней и задней поверхности тел позвонков и межпозвонковых дисков проходят передняя и задняя продольные связки.

Между дугами позвонков располагаются очень крепкие связки, состоящие из эластиновых волокон, которые придают им желтый цвет, ввиду чего и сами связки называются междуговыми, или желтыми. При движениях позвоночного столба, особенно при сгибании, эти связки растягиваются и напрягаются.

Между остистыми отростками позвонков находятся межостистые, а между поперечными -межпоперечные связки. Над остистыми отростками по всей длине позвоночного столба проходит надостная связка, которая, подходя к черепу, увеличивается в сагиттальном направлении и носит название выиной связки. У человека эта связка имеет вид широкой пластинки, образующей своего рода перегородку между правой и левой группами мышц выйной области. Суставные отростки позвонков соединяются между собой при помощи суставов, которые в верхних отделах позвоночного столба имеют плоскую форму, а в нижнем, в частности в поясничном отделе, цилиндрическую.

Соединение между затылочной костью и атлантом имеет свои особенности. Здесь, как и между суставными отростками позвонков, имеется комбинированный сустав, состоящий из двух анатомически обособленных суставов. Форма суставных поверхностей атлантозатылочного сочленения эллипсовидная или яйцевидная.

Три сустава между атлантом и эпистрофеем объединяются в комбинированный атлантоосевой сустав с одной вертикальной осью вращения; из них непарным является сустав цилиндрической формы между зубом эпистрофея и передней дугой атланта и парным - плоский сустав между нижней суставной поверхностью атланта и верхней суставной поверхностью эпистрофея.

Два сустава, атлантозатылочный и атлантоосевой, расположенные выше и ниже атланта, дополняя друг друга, образуют соединения, дающие голове подвижность вокруг трех взаимно перпендикулярных осей вращения. Оба названных сустава могут быть объединены в один комбинированный сустав. При вращении головы вокруг вертикальной оси атлант движется вместе с затылочной костью, играя роль как бы вставочного мениска между черепом и остальной частью позвоночного столба. В укреплении этих суставов принимает участие довольно сложно построенный связочный аппарат, в состав которого входят крестообразная и крыловидные связки. В свою очередь, крестообразная связка состоит из поперечной связки и двух ножек - верхней и нижней. Поперечная связка проходит сзади зуба эпистрофея и укрепляет положение этого зуба на своем месте, будучи натянута между правой и левой боковыми массами атланта. Верхняя и нижняя ножки отходят от поперечной связки. Из них верхняя прикрепляется к затылочной кости, а нижняя к телу второго шейного позвонка. Крыловидные связки, правая и левая, идут от боковых поверхностей зуба вверх и кнаружи, прикрепляясь к затылочной кости. Между атлантом и затылочной костью находятся две перепонки (мембраны) - передняя и задняя, закрывающие отверстие между этими костями.

Соединение крестца с копчиком происходит при помощи синхондроза, в котором копчик может смещаться главным образом в переднезаднем направлении. Амплитуда подвижности верхушки копчика в этом направлении у женщин составляет приблизительно 2 см. В укреплении этого синхондроза принимает участие и связочный аппарат.

Вследствие того что позвоночный столб у взрослого человека образует два лордотических (шейный и поясничный) и два кифотических (грудной и крестцово-копчиковый) изгиба, вертикальная линия, исходящая из центра тяжести тела, пересекает его лишь в двух местах, чаще всего на уровне C8 и L5 позвонков. Эти соотношения, однако, могут изменяться в зависимости от особенностей осанки человека.

Тяжесть верхней половины тела не только оказывает давление на позвонки, но и действует на некоторые из них в виде силы, формирующей изгибы позвоночного столба. В грудном отделе линия тяжести тела проходит впереди тел позвонков, в связи с чем существует силовое воздействие, направленное на увеличение кифотического изгиба позвоночного столба. Этому препятствует его связочный аппарат, в частности, задняя продольная связка, межостные связки, а также тонус разгибательной мускулатуры туловища.

В поясничном отделе позвоночного столба соотношения обратные, линия тяжести тела обычно проходит так, что сила тяжести стремится уменьшить поясничный лордоз. С возрастом как сопротивление связочного аппарата, так и тонус разгибательной мускулатуры уменьшаются, в связи с чем под действием тяжести, позвоночный столб чаще всего изменяет свою конфигурацию и образует один общий изгиб, направленный вперед.

Установлено, что смещение центра тяжести верхней половины тела вперед происходит под влиянием ряда факторов: массы головы и плечевого пояса, верхних конечностей, грудной клетки, грудных и брюшных органов.

Фронтальная плоскость, в которой находится центр тяжести тела, у взрослых сравнительно мало отклоняется вперед от атлантозатылочного сустава. У детей младшего возраста масса головы имеет большое значение, потому что ее отношение к массе всего тела более значительно, поэтому фронтальная плоскость центра тяжести головы оказывается обычно более смещенной кпереди. Масса верхних конечностей человека в определенной степени влияет на формирование изгибов позвоночного столба в зависимости от смещения плечевого пояса вперед или назад, поскольку специалисты заметили некоторую корреляцию между сутулостью и степенью смещения вперед плечевого пояса и верхних конечностей. Однако при выпрямленной осанке плечевой пояс оказывается обычно смещенным назад. Масса грудной клетки человека тем больше влияет на смещение центра тяжести туловища вперед, чем сильнее развит ее переднезадний диаметр. При плоской грудной клетке ее центр масс расположен сравнительно близко от позвоночного столба. Грудные органы и особенно сердце не только способствуют своей массой смещению центра масс туловища вперед, но и действуют в виде прямой тяги на краниальную часть грудного отдела позвоночника, усиливая тем самым его кифотический изгиб. Вес брюшных органов варьирует в зависимости от возраста и конституции человека.

Морфологические особенности позвоночного столба определяют его прочность на сжатие и растяжение. В специальной литературе есть указания на то, что он может выдержать давление на сжатие около 350 кг. Сопротивление на сжатие для шейного отдела равно примерно 50 кг, для грудного - 75 кг и для поясничного - 125 кг. Известно, что сопротивление на растяжение составляет около 113 кг для шейного, 210 кг - для грудного и 410 кг - для поясничного отделов. Соединения между V поясничным позвонком и крестцом разрывается при тяге в 262 кг.

Прочность отдельных позвонков на сжатие шейного отдела примерно следующая: С3- 150 кг, C4- 150 кг, C5- 190 кг, C6- 170 кг, C7-170 кг.

Для грудного отдела характерны такие показатели: Т1 - 200 кг, Т5 -200 кг, Т3- 190 кг, T4- 210 кг, T5- 210 кг, T6 - 220 кг, T7- 250 кг, T8 - 250 кг, Т9 - 320 кг, Т10- 360 кг, Т11- 400 кг, Т12 - 375 кг. Поясничный отдел выдерживает примерно следующие нагрузки: L1 - 400 кг, L2 - 425 кг, L3 - 350 кг, L4 - 400 кг, L5 - 425 кг.

Между телами двух смежных позвонков возможны следующие виды движений. Движения вдоль вертикальной оси в результате сдавливания и растяжения межпозвонковых дисков. Эти движения очень ограничены, так как сдавление возможно лишь в пределах эластичности межпозвонковых дисков, а растяжение тормозится продольными связками. Для позвоночного столба в целом пределы сдавливания и растяжения незначительны.

Движения между телами двух смежных позвонков могут частично происходить в форме ротации вокруг вертикальной оси. Это движение тормозится преимущественно напряжением концентрических волокон фиброзного кольца межпозвонкового диска.

Между позвонками возможны также вращения вокруг фронтальной оси при сгибании и разгибании. При этих движениях форма межпозвонкового диска изменяется. При сгибании сдавливается его передняя часть и растягивается задняя; при разгибании наблюдается обратное явление. При этом меняет свое положение студенистое ядро. При сгибании оно перемещается назад, а при разгибании - вперед, т. е. в сторону растянутой части фиброзного кольца.

Еще одним выраженным видом движений является вращение вокруг сагиттальной оси, которое приводит к боковому наклону туловища. При этом одна боковая поверхность диска сдавливается, а другая растягивается, и студенистое ядро перемещается в сторону растяжения, т. е. в сторону выпуклости.

Движения, происходящие в суставах между двумя смежными позвонками, зависят от формы суставных поверхностей, располагающихся различно в разных отделах позвоночного столба.

Наиболее подвижным является шейный отдел. В этом отделе суставные отростки имеют плоские суставные поверхности, направленные назад примерно под углом в 45-65°. Такой вид сочленения дает три степени свободы, а именно: возможны сгибательно-разгибательные движения во фронтальной плоскости, боковые перемещения - в сагиттальной плоскости и ротационные движения - в горизонтальной плоскости.

В промежутке между С2 и С3 позвонками амплитуды движений несколько меньше, чем между другими позвонками. Это объясняется тем, что межпозвонковый диск между этими двумя позвонками очень тонкий и тем, что передняя часть нижнего края эпистрофея образует выступ, ограничивающий движения. Амплитуда сгибательно-разгибательного движения в шейном отделе равняется примерно 90°. Выпуклость вперед, образуемая передним контуром шейного отдела, переходит во время сгибания в вогнутость. Образующаяся таким образом вогнутость имеет радиус 16,5 см. Если провести радиусы от переднего и заднего конца этой вогнутости, получается угол, открытый назад и равный 44°. При максимальном разгибании образуется угол, открытый вперед и вверх и равный 124°. Хорды этих двух дуг соединяются под углом 99°. Наибольшая амплитуда движения отмечается между С3, C4 и C5 позвонками, несколько меньшая - между C6 и C7 и еще меньшая - между С7 и Т1 позвонками.

Боковые движения между телами первых шести шейных позвонков имеют также довольно большую амплитуду. Позвонок С... значительно менее подвижен в этом направлении.

Седловидные суставные поверхности между телами шейных позвонков не благоприятствуют торсионным движениям. В целом по данным различных авторов амплитуды движений в шейном отделе составляют в среднем такие величины: сгибание - 90°, разгибание - 90°; боковой наклон - 30°, ротация в одну сторону - 45°.

Атлантозатылочное сочленение и сустав между атлантом и эпистрофеем в комплексе имеют три степени свободы движений. В первом из них возможны наклоны головы вперед-назад. Во втором возможно вращение атланта вокруг зубовидного отростка, причем череп вращается вместе с атлантом. Наклон головы вперед в суставе между черепом и атлантом возможен лишь на 20°, наклон назад - на 30°. Движение назад тормозится напряжением передней и задней атлантозатылочными перепонками и происходит вокруг фронтальной оси, проходящей сзади наружного слухового отверстия и непосредственно впереди от сосцевидных отростков височной кости. Большая, чем на 20° степень наклона черепа вперед и на 30° назад возможна только вместе с шейным отделом позвоночного столба. Наклон вперед возможен до соприкосновения подбородка с грудиной. Подобная степень наклона осуществляется лишь при активном сокращении мышц, сгибающих шейный отдел и наклоняющих голову на туловище. Когда голова опускается вперед под действием силы тяжести, подбородок обычно не касается грудины, потому что голова удерживается напряжением растянутых мышц задней поверхности шеи и выйной связки. Тяжесть наклоняющейся вперед головы при ее действии на рычаг первого рода недостаточна, чтобы преодолеть пассивность задних мышц шеи и эластичность выйной связки. При сокращении грудиноподъязычной и подбородочно-подъязычной мышц их сила вместе с тяжестью головы вызывает более значительное растяжение мышц задней поверхности шеи и выйной связки, в результате чего голова наклоняется вперед до соприкосновения подбородка с грудиной.

В суставе между атлантом и эпистрофеем возможен поворот на 30° вправо и влево. Ротация в суставе между атлантом и эпистрофеем ограничена напряжением крыловидных связок, берущих начало на боковых поверхностях мыщелков затылочной кости и прикрепляющихся на боковых поверхностях зубовидного отростка.

Благодаря тому, что нижняя поверхность шейных позвонков вогнута в переднезаднем направлении, возможны движения между позвонками в сагиттальной плоскости. В шейном отделе связочный аппарат наименее мощный, что также способствует его подвижности. Шейный отдел значительно меньше (сравнительно с грудным и поясничным отделами) подвержен действию сжимающих нагрузок. Он является местом крепления для большого числа мышц, обусловливающих движения головы, позвоночного столба и плечевого пояса. На шее динамическое действие мышечной тяги относительно больше в сравнении с действием статических нагрузок. Шейный отдел мало подвержен деформирующим нагрузкам, поскольку окружающие мышцы как бы защищают его от избыточных статических воздействий. Одна из характерных особенностей шейного отдела заключается в том, что плоские поверхности суставных отростков при вертикальном положении тела находятся под углом 45°. При наклоне головы и шеи вперед этот угол увеличивается до 90°. В таком положении суставные поверхности шейных позвонков накладываются друг на друга в горизонтальном направлении и фиксируются вследствие действия мускулатуры. При согнутом положении шеи действие мышц особенно значительно. Однако согнутое положение шеи привычно для человека во время работы, поскольку орган зрения должен контролировать движения рук. Многие виды работ, а также чтение книги обычно осуществляются при наклонном положении головы и шеи. Поэтому мышцам, в частности, задней поверхности шеи, приходится включаться в работу для удержания головы в равновесии.

В грудном отделе суставные отростки также имеют плоские суставные поверхности, но они ориентированы почти вертикально и располагаются в основном во фронтальной плоскости. При таком расположении отростков возможны сгибательные движения и ротация, а разгибание ограничено. Боковые наклоны осуществляются лишь в незначительных пределах.

В грудном отделе подвижность позвоночного столба наименьшая, что обусловлено малой толщиной межпозвонковых дисков.

Подвижность в верхней части грудного отдела (от первого до седьмого позвонка) незначительна. Она увеличивается в каудальном направлении. Боковые наклоны в грудном отделе возможны примерно на 100° вправо и несколько меньше - влево. Ротационные движения ограничиваются положением суставных отростков. Амплитуда движений довольно значительна: вокруг фронтальной оси составляет 90°, разгибание - 45°, ротация - 80°.

В поясничном отделе суставные отростки имеют сочленяющиеся поверхности, ориентированные почти в сагиттальной плоскости, причем их верхневнутренняя суставная поверхность вогнута, а нижненаружная выпукла. Такое расположение суставных отростков исключает возможность их взаимной ротации, а движения производятся лишь в сагиттальной и во фронтальных плоскостях. При этом разгибательное движение возможно в больших пределах, чем сгиба тельное.

В поясничном отделе степень подвижности между различными позвонками неодинакова. Во всех направлениях она оказывается наибольшей между позвонками L3 и L4, а также между L4 и L5. Наименьшая подвижность отмечается между L2 и L3.

Подвижность поясничного отдела позвоночника характеризуется следующими показателями: сгибание - 23°, разгибание - 90°, боковой наклон в каждую сторону - 35°, ротация - 50. Наибольшей подвижностью характеризуется межпозвоночное пространство между L3 и L4, что следует сопоставить с фактом центрального положения позвонка L3. Действительно, этот позвонок соответствует центру брюшной области у мужчин (у женщин L3 расположен несколько более каудально). Известны случаи, при которых крестец у человека располагался почти горизонтально, а пояснично-крестцовый угол уменьшался до 100-105°. Факторы, ограничивающие движения в поясничном отделе позвоночного столба, представлены в табл. 3.4.

Во фронтальной плоскости сгибание позвоночника возможно преимущественно в шейном и верхнегрудном отделах; разгибание осуществляется, главным образом, в шейном и поясничном отделах, в грудном отделе эти движения незначительны. В сагиттальной плоскости наибольшая подвижность отмечается в шейном отделе; в грудном отделе она незначительна и увеличивается вновь в поясничной части позвоночника. Ротация возможна в больших пределах в шейном отделе; в каудальном направлении ее амплитуда уменьшается и очень незначительна в поясничной части.

При изучении подвижности позвоночника в целом не имеет арифметического смысла, суммировать цифры, характеризующие амплитуду движений в различных отделах, так как при движениях всей свободной части позвоночника (как на анатомических препаратах, так и на живых субъектах) возникают компенсаторные движения благодаря изгибам позвоночного столба. В частности, дорсальное сгибание в одном отделе может обусловить вентральное разгибание в другом. Поэтому целесообразно дополнить изучение подвижности различных отделов данными о подвижности позвоночного столба в целом. При исследовании изолированного позвоночного столба в этом отношении рядом авторов получены следующие данные: сгибание - 225°, разгибание - 203°, наклон в сторону - 165°, ротация - 125°.

В грудном отделе боковое сгибание позвоночного столба возможно только при расположении суставных отростков точно во фронтальной плоскости. Однако они наклонены несколько вперед. В результате участвуют в боковом наклоне лишь те межпозвоночные суставы, фасетки которых оказываются ориентированными примерно во фронтальной плоскости.

Ротационные движения позвоночного столба вокруг вертикальной оси возможны в наибольшей степени в области шеи. Голова и шея могут быть ротированы по отношению к туловищу примерно на 60-70° в обе стороны (т.е. в общей сложности примерно на 140°). В грудном отделе позвоночника ротация невозможна. В поясничном отделе она практически равна нулю. Наибольшая ротация возможна между грудным и поясничным отделами в области 17-й и 18-й биокинематических пар.

Общая ротационная подвижность позвоночного столба в целом, таким образом, равна 212° (132° для головы и шеи и 80° - для 17-й и 18-й биокинематических пар).

Интерес представляет определение возможной степени поворота тела вокруг его вертикальной оси. При стоянии на одной ноге возможна ротация в полусогнутом тазобедренном суставе на 140°; при опоре на обе ноги амплитуда этого движения уменьшается до 30°. В сумме это увеличивает ротационную способность нашего тела примерно до 250° при стоянии на двух ногах и до 365° - при стоянии на одной ноге. Ротационные движения, производимые от головы до ног, обусловливают уменьшение длины тела на 1-2 см. Однако у некоторых людей это уменьшение оказывается значительно большим.

Торсионное движение позвоночного столба осуществляется на четырех уровнях, свойственных различным видам сколиотических изгибов. Каждый из этих уровней скручивания зависит от функции определенной мышечной группы. Нижний уровень ротации соответствует нижней апертуре (уровень XII ложных ребер) грудной клетки. Ротационное движение на этом уровне обусловлено функцией внутренней косой мышцы одной стороны и наружной косой мышцы противоположной стороны, действующих как синергисты. Это движение может быть продолжено вверх благодаря сокращению внутренних межреберных мышц с одной стороны и наружных межреберных - с другой. Второй уровень ротационных движений находится у плечевого пояса. Если он фиксирован, то ротация грудной клетки и позвоночного столба обусловливается сокращением передней зубчатой и грудных мышц. Ротацию также обеспечивают некоторые мышцы спины - задние зубчатые (верхняя и нижняя), подвздошно-реберная и полуостистая. Грудино-ключично-сосцевидная мышца при двустороннем сокращении удерживает голову в вертикальном положении, запрокидывает ее назад, а также сгибает шейный отдел позвоночного столба. При одностороннем сокращении наклоняет голову в свою сторону и поворачивает в противоположную. Ременная мышца головы разгибает шейный отдел позвоночного столба и поворачивает голову в ту же сторону. Ременная мышца шеи разгибает шейный отдел позвоночного столба и поворачивает шею в сторону сокращения.

Наклоны в сторону чато сочетаются с его ротацией, потому что этому благоприятствует расположение межпозвонковых суставов. Движение совершается вокруг оси, которая не располагается точно в сагиттальном направлении, а наклонена вперед и вниз, вследствие чего наклон в сторону сопровождается ротацией туловища назад на той стороне, где образуется выпуклость позвоночного столба при наклоне. Сочетание наклонов в стороны с ротацией является очень существенной особенностью, объясняющей некоторые свойства сколиотических изгибов. В области 17-й и 18-й биокинематических пар наклоны в стороны позвоночного столба сочетаются с его ротацией в выпуклую или вогнутую сторону. При этом обычным для него является осуществление такой триады движений: наклон в сторону, сгибание вперед и ротация в сторону выпуклости. Эти три движения реализуются обычно и при сколиотических изгибах.